歐仁俠，尤明慧，房吉博，李俊瑤

（1. 吉林醫(yī)藥學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院，吉林 吉林132013；2. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130018）

1 引 言

研究表明，消化系統(tǒng)疾病已成為威脅人體健康的主要病癥之一，醫(yī)學(xué)診斷最直接的方式就是內(nèi)窺鏡檢查，但傳統(tǒng)的有線內(nèi)窺鏡無法實(shí)現(xiàn)全消化道檢查，插管給患者不僅帶來痛苦，還存在交叉感染、傷害胃壁腸壁的風(fēng)險(xiǎn)。伴隨無線通信技術(shù)、智能材料、高清傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，膠囊內(nèi)窺鏡將逐步取代傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡[1-2]。通過外部基站可以實(shí)時(shí)接收膠囊內(nèi)窺鏡傳輸?shù)母咔鍒D像，傳輸速度可以達(dá)到2.5 Mb/s，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)胃、小腸和結(jié)腸等消化道的全維度成像檢查，醫(yī)生可以依據(jù)精確全面的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速診斷。膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)主要包含高清圖像傳感器、供電系統(tǒng)、輔助光源、處理器、通信天線等[3-5]，集信息通信、生物醫(yī)學(xué)、光電工程、信號(hào)處理技術(shù)于一體，其中用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信天線是膠囊內(nèi)窺鏡的關(guān)鍵部分，天線的性能直接影響圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性[6-7]。只有提升圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸俾剩拍芴岣攉@取圖像的分辨率，從而提高診斷病變位置的準(zhǔn)確性，同時(shí)，膠囊內(nèi)窺鏡攝入到不同的人體消化環(huán)境后對(duì)天線的性能影響較大，這就要求天線抗干擾能力強(qiáng)和工作帶寬較寬，因此，需要設(shè)計(jì)寬頻帶、圓極化的天線。圓極化天線可以有效降低膠囊內(nèi)窺鏡在胃、小腸和結(jié)腸等消化道環(huán)境出現(xiàn)的極化失配[8-12]。膠囊內(nèi)窺鏡天線主要包括內(nèi)嵌型和共形，采用柔性介質(zhì)基板制作天線并共形于膠囊外側(cè)的為共形天線，這樣可以避免占用膠囊內(nèi)部空間，有利于實(shí)現(xiàn)天線的小型化[13]。共形天線一般通過彎曲的結(jié)構(gòu)與膠囊結(jié)合，可以有效提高系統(tǒng)集成度，提升輻射效率與增益，但共形天線也有自身的缺點(diǎn)，彎曲共形過程給設(shè)計(jì)和測(cè)試帶來較大的難度，其抗干擾能力相對(duì)較弱。文獻(xiàn)[14-15]設(shè)計(jì)了一種用于膠囊內(nèi)窺鏡系統(tǒng)的共形圓極化天線，將不對(duì)稱枝節(jié)或矩形單元印刷在柔性介質(zhì)基板上，通過調(diào)整短枝節(jié)調(diào)節(jié)圓極化純度，天線的帶寬能夠滿足設(shè)計(jì)需求，節(jié)省了膠囊內(nèi)部有限的空間，但設(shè)計(jì)和加工成本相對(duì)較高。天線內(nèi)嵌于膠囊內(nèi)部，能夠大大降低天線接觸人體器官的概率，提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性。文獻(xiàn)[16]發(fā)布了一種微帶饋電的平面環(huán)形天線，由環(huán)形和內(nèi)部加載的輻射單元組成，該天線可以嵌入到膠囊內(nèi)部，但設(shè)計(jì)帶寬適用性有限。螺旋天線具有寬頻帶、圓極化性能易于設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，但常規(guī)的螺旋天線尺寸相對(duì)較大，有文獻(xiàn)將共形螺旋天線與嵌入式天線組合起來，可以實(shí)現(xiàn)線極化與圓極化特性。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了一款螺旋天線，由共形于膠囊內(nèi)部的倒螺旋結(jié)構(gòu)和膠囊表面偏饋偶極子組成，倒螺旋天線采取調(diào)節(jié)螺旋高度和半徑來改善阻抗匹配，主要為線極化，偏饋偶極子天線通過調(diào)整矩形枝節(jié)長度來改善阻抗匹配，主要為圓極化。石墨烯納米材料結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬、導(dǎo)熱性好，導(dǎo)電性優(yōu)良，在生物醫(yī)療、航天航空、無線通信、新能源等多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景[18]。石墨烯材料具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電性是常規(guī)材料的50倍，在攝入式天線的設(shè)計(jì)中選用石墨烯材料，將有效提高天線的性能，在提高傳輸效率的同時(shí)降低介質(zhì)損耗，縮小天線的體積，滿足膠囊內(nèi)窺鏡對(duì)天線的小型化要求，同時(shí)也能大大增加通信距離[19]。然而，目前膠囊內(nèi)窺鏡天線中使用多層石墨烯材料的案例還比較少。

2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了基于石墨烯的用于膠囊內(nèi)窺鏡的寬頻圓極化天線，天線結(jié)構(gòu)如圖1所示，選擇Rogers RO3210介質(zhì)基板作為基板，介電常數(shù)εr為10.2，損耗正切tanδ為0.003，厚度H為0.635 mm，采用標(biāo)準(zhǔn)SMA接頭，各層輻射單元和接地板的材料都使用多層石墨烯薄膜，利用多層石墨烯材料優(yōu)異的導(dǎo)電性能可以在提高傳輸效率的同時(shí)降低介質(zhì)損耗，進(jìn)一步縮小天線尺寸。第1層和第2層輻射單元由4個(gè)開口圓環(huán)組成，這樣設(shè)計(jì)能夠延長表面電流流經(jīng)路徑，使諧振頻率減小，滿足小型化需求。在4個(gè)開口圓環(huán)上側(cè)與對(duì)稱軸交點(diǎn)位置增加4個(gè)圓環(huán)，將短路探針插入圓環(huán)中間開孔，從而將第1層和第2層輻射單元有效可靠地連接起來構(gòu)成復(fù)合螺旋天線。復(fù)合螺旋天線與常規(guī)螺旋天線相比，能夠更加高效地耦合電磁能量，更容易實(shí)現(xiàn)圓極化特性。第3層輻射單元由中心小圓環(huán)通過4個(gè)矩形條帶連接4個(gè)開口圓環(huán)組合而成，增加第3層輻射單元可以與第1層和第2層構(gòu)成的復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)相互配合，有效改善阻抗匹配并調(diào)節(jié)圓極化純度。地板為圓形結(jié)構(gòu)，位于天線最下層，可以屏蔽電磁波、增加兼容性。在寬帶圓極化天線外表面鍍一層派瑞林C型生物相容材料，以防止膠囊內(nèi)窺鏡意外泄露而與人體消化器官直接接觸。其厚度為0.03 mm，介電常數(shù)εr為2.95，損耗正切tanδ為0.013。為便于快速仿真優(yōu)化，設(shè)計(jì)搭建單層肌肉組織環(huán)境，如圖2所示，單層肌肉組織仿真模型的總體尺寸為100 mm×100 mm×80 mm，放置天線的深度為40 mm，單層肌肉組織環(huán)境的高度為80 mm，在2.4 GHz頻點(diǎn)處單層肌肉組織環(huán)境的電特性為σ=1.74 S/m、εr=52.76。天線的各個(gè)參數(shù)都會(huì)影響天線的性能，根據(jù)帶寬要求，天線的初始結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 天線結(jié)構(gòu)示意圖。（a）三維結(jié)構(gòu);（b）第1層、（c）第2層、（d）第3層輻射貼片結(jié)構(gòu)參數(shù)Fig.1 Schematic diagram of the antenna structure.(a)Three-dimensional structure;structure parameters of(b)the first,(c)the second,and(d)the third radiation patchs

圖2 單層肌肉組織仿真模型Fig.2 Simulation model of monolayer muscle tissue

表1 天線的初始結(jié)構(gòu)尺寸Tab.1 Initial structural parameters of the proposed antenna

3 天線參數(shù)和性能分析

使用HFSS軟件分析天線參數(shù)對(duì)天線各項(xiàng)性能的影響，對(duì)主要參數(shù)，包括第1層和第2層輻射單元開口圓環(huán)的外徑R3、內(nèi)徑R4、第3層輻射單元4個(gè)開口圓環(huán)內(nèi)徑R9、外徑R10、石墨烯薄膜厚度、天線攝入位置，進(jìn)行分析，通過調(diào)節(jié)這些參數(shù)來優(yōu)化帶寬和圓極化性能。

3.1 R3、R4對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

對(duì)于復(fù)合螺旋天線，天線工作在不同的軸向模式下，復(fù)合螺旋天線的周長、相鄰線圈的距離需要滿足以下條件[20]：

軸比帶寬（Axial Ratio,AR）定義如下：

其中，P為單個(gè)開口環(huán)的周長，λg為多層介質(zhì)導(dǎo)波長，R為復(fù)合螺旋線圈半徑，D為相鄰線圈距離，γ為傳播常數(shù)，k為磁導(dǎo)率，AR為軸比，Eθ、Eφ為電場(chǎng)分量，近似有：

分別選取R3=2.15 mm、R4=1.8 mm；R3=2.25 mm、R4=1.9 mm和R3=2.35 mm、R4=2.0 mm

這3種情況分析天線性能，從圖3可以看出，天線的諧振頻率隨著開口圓環(huán)尺寸的增大而向低頻段移動(dòng)，在開口圓環(huán)尺寸變化過程中軸比性能仍然能夠滿足工作需求，說明開口圓環(huán)半徑的調(diào)整符合式（1）的界定，對(duì)天線的阻抗匹配影響較小。此外，軸比性能最佳點(diǎn)也隨著開口圓環(huán)尺寸的變化向低頻方向偏移，原因是開口圓環(huán)半徑的增加會(huì)導(dǎo)致復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)電尺寸的增大，進(jìn)而使諧振頻率向低頻段移動(dòng)，天線的軸比性能最佳點(diǎn)也隨之移動(dòng)。當(dāng)R3=2.25 mm、R4=1.9 mm時(shí)，天線的性能最佳，阻抗匹配和圓極化純度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 第1層和第2層輻射單元開口圓環(huán)的外徑R3、內(nèi)徑R4對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.3 Influence of theinner diameter R4 and outer diameter R3 of open rings in the first and second lagers radiation units on the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.2 第3層輻射單元4個(gè)開口圓環(huán)內(nèi)徑R9、外徑R10對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

分別選取R9=0.95 mm、R10=1.3 mm、R9=1.05 mm、R10=1.4 mm和R9=1.15 mm、R10=1.5 mm這3種情況分析天線性能，從圖4中可以看出，隨著開口圓環(huán)內(nèi)徑R9、外徑R10尺寸的增大，寬頻圓極化天線的諧振頻率和軸比性能最優(yōu)點(diǎn)均向低頻段發(fā)生偏移，諧振程度也隨之增大，原因是下層輻射單元4個(gè)開口圓環(huán)尺寸的增大，能夠聚合電磁能量，增強(qiáng)天線的感性，影響天線的極化純度和阻抗匹配。當(dāng)R9=1.05 mm、R10=1.4 mm時(shí)，天線的性能最佳，阻抗匹配和圓極化純度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 第3層輻射單元4個(gè)開口圓環(huán)內(nèi)徑R9、外徑R10對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.4 Influence of the inner diameter R9 and outer diameter R10 of four open rings in the third layer radiation unit on the antenna’s impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.3 石墨烯薄膜厚度T對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

采用微米級(jí)石墨烯材料，在HFSS軟件中，石墨烯薄膜初始參數(shù)設(shè)置為厚度30μm，相對(duì)介電常數(shù)εr=4.3，電導(dǎo)率σ=1.11×106S/m[21]。圖5為石墨烯薄膜厚度對(duì)天線阻抗帶寬與軸比帶寬的影響圖，石墨烯薄膜厚度T為10μm、20μm、30μm。可見，石墨烯薄膜厚度對(duì)天線諧振頻率影響不大，但對(duì)諧振程度有一定影響，阻抗匹配也受到一定的影響。石墨烯薄膜厚度的增加改善了導(dǎo)電性能，有效地降低了介質(zhì)損耗，也進(jìn)一步改善了天線的阻抗匹配。當(dāng)石墨烯薄膜厚度T為30μm時(shí)，阻抗匹配和圓極化純度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 石墨烯薄膜厚度T對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.5 Effect of graphene coating thickness T on the antenna’s impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.4 天線攝入人體不同消化環(huán)境對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響

膠囊內(nèi)窺鏡的工作環(huán)境是人體的消化系統(tǒng)，因此，天線將在胃、小腸和結(jié)腸等人體消化器官中工作，把寬頻圓極化天線放置在CST人體高精度模型中的胃、小腸、結(jié)腸等消化器官中(見圖6)進(jìn)行測(cè)試，分析天線攝入人體不同消化環(huán)境對(duì)天線阻抗帶寬和軸比帶寬的影響，寬頻圓極化天線在不同的消化器官中的輻射特性如圖7所示，放置在胃、小腸和結(jié)腸中的天線距體表的長度分別為24 mm、33 mm、47 mm，寬頻圓極化天線在胃、小腸和結(jié)腸中阻抗帶寬均較寬，阻抗匹配較好，阻抗帶寬和軸比帶寬都能夠滿足工作需要。諧振頻率向高頻段方向有一些偏移，原因是在2.45 GHz處胃的εr=62.23、σ=2.16 S/m，小腸的εr=54.53、σ=3.13 S/m，結(jié)腸的εr=53.97、σ=2.0 S/m，胃、小腸和結(jié)腸的中的介電常數(shù)逐漸降低，電磁波的傳播速度和波長逐漸增加，從而引起諧振頻率向高頻方向偏移。

圖6 天線攝入不同消化器官位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of the locations for antenna intaked in different digestive organs

圖7 天線攝入人體不同消化環(huán)境對(duì)阻抗帶寬和軸比帶寬的影響Fig.7 Influence of different digesting environments on the impedance bandwidth and axial ratio bandwidth

3.5 天線攝入人體不同消化環(huán)境的輻射特性分析

對(duì)天線攝入不同人體消化環(huán)境的輻射特性進(jìn)行分析，天線攝入胃、小腸和結(jié)腸的增益和軸比曲線如圖8所示。從圖中可以看出，天線攝入胃、小腸和結(jié)腸后最大增益方向和最佳軸比角度分別為?55°、?33°、25°，天線在胃、小腸和結(jié)腸位置的最大增益為?22.4 dBi、?27.8 dBi、?35.4 dBi。天線的最大增益在胃、小腸、結(jié)腸3個(gè)位置逐漸降低，主要原因是攝入深度的增加引起的電磁能量損耗也不斷增加，從而使天線的最大增益不斷減小。天線在胃、小腸、結(jié)腸3個(gè)位置的軸比分別為2.4 dB、3.6 dB和4.9 dB，極化純度也存在一定程度的惡化，原因是人體組織模型變化較大，需要合理修改組織模型來優(yōu)化軸比性能。

圖8 天線攝入不同消化器官的輻射特性。（a）胃；（b）小腸；（c）結(jié)腸Fig.8 Radiation characteristics of antenna intaked to different digestive organs.(a)Stomach;(b)small intestine;(c)colon

4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

采用高電導(dǎo)率多層石墨烯薄膜，參照仿真數(shù)據(jù)制作了天線。制作方法為首先在石墨烯薄膜上用激光雕刻機(jī)加工出各層天線的結(jié)構(gòu)，之后使用氣霧噴膠將石墨烯薄膜固定在介質(zhì)基板上，最后使用芯片封裝導(dǎo)電膠將同軸接頭和短路探針與各層天線相連接，如圖9所示。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試天線的阻抗帶寬和軸比帶寬，將制作的天線放置在模擬溶液中，模擬溶液的電特性與消化系統(tǒng)的環(huán)境近似。實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果如圖10所示。其中，SH代表反射系數(shù)?？梢?，寬頻圓極化天線的仿真阻抗帶寬為2.16~2.73 GHz，諧振頻率為2.45 GHz，實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.2~2.78 GHz，諧振頻率為2.46 GHz，仿真軸比帶寬為2.22~2.61 GHz，實(shí)測(cè)軸比帶寬為2.26~2.66 GHz，實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果的一致性較好，天線工作阻抗帶寬和軸比較寬，保證了較寬的阻抗帶寬和良好的阻抗匹配。諧振點(diǎn)和軸比帶寬最優(yōu)點(diǎn)向高頻段有一定偏移，偏移主要是由加工測(cè)試誤差及模擬人體消化環(huán)境引起的。天線的實(shí)際增益為?22.9 dBi，輻射性能良好，能夠克服人體消化器官的電參數(shù)對(duì)天線輻射特性的影響。

圖9 實(shí)際加工的天線Fig.9 Photo of actual antenna

圖10 仿真與實(shí)測(cè)阻抗帶寬和軸比帶寬曲線Fig.10 Simulated and measured impedance bandwidth and axial ratio bandwidth curves

由于人體消化組織會(huì)將攝入式天線包裹起來，因此需要通過分析人體組織SAR值分布來明確人體組織吸收植入式天線電磁輻射是否符合安全要求。為了綜合分析膠囊天線安全性，分析人體的平均SAR值的分布情況，將輸入功率設(shè)置為1 W，經(jīng)過仿真計(jì)算，天線在胃最大1-/10-g SAR值為142.3/23.2 W/kg、在小腸最大1-/10-g SAR值為172.3/32.8 W/kg、在結(jié)腸位置的最大1-/10-g SAR值為125.3/24.6 W/kg，為了滿足IEEE及FCC對(duì)SAR值的安全標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算與測(cè)試得出，天線允許的最大1-/10-g輸入功率為9.15 mW、46.77 mW，在此輸入功率范圍內(nèi)天線的電磁輻射對(duì)人體消化系統(tǒng)是安全的。

為了對(duì)比本文所設(shè)計(jì)天線的性能，表2將其與已發(fā)表論文中的用于膠囊內(nèi)窺鏡的圓極化天線進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[8]的天線采用嵌入式結(jié)構(gòu)，但帶寬有限。在共形天線中，文獻(xiàn)[14]中的天線雖然工作帶寬較寬，但設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本較高。

表 2與其他典型天線的性能比較Tab.2 Performance comparison of proposed antanna and other typical antennas

文獻(xiàn)[16]中天線體積較大，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，設(shè)計(jì)帶寬適用性較差。由此可知，與現(xiàn)有的膠囊天線相比，該天線尺寸較小，結(jié)構(gòu)較為簡單，外形兼容性強(qiáng)，功能帶寬更寬。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于石墨烯的用于膠囊內(nèi)窺鏡的寬頻圓極化天線，采用石墨烯材料制作天線的輻射單元和地板，使膠囊天線的工作帶寬與增益得到改善，傳輸效率提高，損耗降低；采用復(fù)合螺旋天線，產(chǎn)生圓極化特性，既能減少誤碼率又能抑制多徑干擾。實(shí)驗(yàn)表明，第1層和第2層輻射單元開口圓環(huán)的外徑R3、內(nèi)徑R4、第3層輻射單元中的4個(gè)缺口圓環(huán)外徑R10、內(nèi)徑R9、石墨烯薄膜厚度、天線所處的位置等對(duì)天線帶寬和性能都會(huì)產(chǎn)生影響。天線體積僅為π×4.52×1.905 mm3，尺寸較小，對(duì)天線進(jìn)行了加工和實(shí)測(cè)，實(shí)測(cè)阻抗帶寬為2.2~2.78 GHz，軸比帶寬為2.26~2.66 GHz，增益為?22.9 dBi，實(shí)際測(cè)量與仿真結(jié)果吻合良好，其在工作頻段內(nèi)輻射特性穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，電磁兼容性好，具備一定的抗干擾能力，適用于ISM 2.4 GHz頻段，能滿足膠囊內(nèi)窺鏡攝入不同消化器官的工作要求。